级联H桥整流电路电压滑模控制策略.pdf

第 5 0卷第 5期 2 0 1 6年 5月 电 力 电 子技 术 P o we r Ele ct r o n ics Ma v 2 01 6 级联 H桥整流电路电压滑模控制策略 郑征 王 莹秋 ( 河南理 工大 学 ， 电气 工程与 自动 化学 院 ，河南焦作4 5 4 0 0 0 ) 摘要 ： 针对级联 H桥整流器 的非线性和非最小相位系统特性 ， 通过分析单相两级联 H桥整流器的拓扑结构 对级联多电平整流器直流侧电压的平衡和动态性能方面的问题进行了研究。采用滑模控制理论 通过选取合 适 的切 换面使 系统状 态轨迹 在 设定 的滑模 面上 运动 ， 从而 提 高系统 直流侧 电压 的响应 速度 和系 统 的动态 性能 指标。搭建了基于 Ma t la b S im u li n k的仿真模型和基于 R T - 1 a b的半实物实时仿真实验平台 仿真和实验验证了 该控制 算法 的可行 性和有 效性 关键字 ： 整流器 ；电压平衡：滑模控制 中图分类号 ： T M4 6 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 1 0 0 X ( 2 0 1 6 ) 0 5 0 0 7 6 0 4 Vo lt a g e Sliding M o d e Co nt r o l S t r a t e g y o f Ca s ca de d H- br idg e Re ct ifi e r Cir cuit ZHENG Zh e n g，W ANG Yin g qi u ( H e n a n P o l y t e ch n ic U n i v e r s i t y ， a o z u o 4 5 4 0 0 0 ，C h in a ) Ab s t r a ct ： F o r t h e n o n lin e a r a n d n o n min imu m p h a s e s y s t e m ch a r a ct e ri s t ic s o f t h e ca s c a d e d H b ri d g e r e ct if ie r ， t h r o u g h t h e a n a ly s is o f s in g le p h a s e t w o ca s ca d e d H- b ri d g e r e ct if ie r t o p o lo g y， t h e p r o b le m o f b al a n cin g a n d d y n a mic p e r f o r ma n e e o f ca s ca d e d mu h ile v e l co n v e r t e r DC s id e v o lt a g e is s t u d ie d Us in g s lid in g mo d e co n t r o l t h e o r y， b y ch o o s in g t h e a p p r o p ria t e s w i t ch in g s u r f a ce t o ma k e s u r e t h e s y s t e m s t a t e t r a j e ct o r y s e t o n t h e s li d i n g mo d e s u r f a ce ， t h e r e b y i m p rov e t h e r e s p o n s e s p e e d o f t h e DC s i d e v o lt a g e a n d t h e d y n a mic p e rfo r ma n ce in d e x o f t h e s y s t e m A s i mu l a t i o n mo d e l b a s e d o n Ma t la b S i mu li n k a n d a s e mi- -p h y s ical r e a l- t i me s imu la t io n e x p e ri me n t p la t f o r m b a s e d o n R T- l a b a r e b u i l t u p， t h e s imu la t io n a n d e x p e ri me n t a l r e s u lt s v e ri f y t h e f e a s ib ilit y a n d e f f e ct iv e n e s s o f t h e p r o p o s e d co n t r o l a lg o r ithm Ke y wo r d s： r e ct i fi e r ；v o lt a g e b al a n ce；s lid in g mo d e co n t r o l F o u n d a t io n P r o j e ct ： S u p p o r t e d b y N a t i o n a l N a t u r a l S cie n ce F o u n d a t i o n o f C h in a ( N o 6 1 3 4 0 0 1 5 ) ； He n a n P r o v i n ce S ci e n ce a n d T e ch n o lo g y R e s e a r ch P r o j e ct ( N o 1 4 2 1 0 2 2 1 0 0 4 8 ) 1 引 言 一 种新 型无工频变压器 级联 式功率 变换器可 实现与 电网直接相连 。 省去笨重 的工频变压器 具 有 高功率 因数 ， 谐波污染小等优势。但其整流级 直接与高压 电网相连 。若各桥直流侧 电压不均衡 易造成器件损坏 ， 会对后级逆变 电路产生影 响 ， 产 生大量谐波 因此亟待解决 的问题是各桥 直流侧 母线 电压 的平衡 2 】 。 E l前对 级联整流器 电压平衡 控制多采用 P I 控制实现直流侧输 出电压平衡 ， 但 当系统不稳 定或受到扰动 时存在超调量大 且母 线 电压波动大无法快速恢复等缺 点。滑模 变结构 控制具有快速 响应 ， 抗干扰能力强 ， 实现简单等优 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 ( 61 3 4 0 01 5)； 河 南 省 科 技 攻 关 项 目( 1 4 2 1 0 2 2 1 0 O 4 8) 定 稿 日 期 ： 2 0l5 1 0 1 4 作 者 简 介 ： 郑 征 ( 1 9 6 5 一 ) ， 女 ， 河 南 南 阳人 ， 博 士 ， 教 授 ， 研 究 方 向 为 电 力 电 子 与 电 力 传 动 。 7 6 点 ， 将其 应用 于脉 宽调 制 ( P WM) 整流 器 中 ， 以实 现其优 良性 能 针对 两级 级联整 流器直流 侧 电压平 衡控 制 。 在整体 电压外环控制 中引入滑模控制 并结合 电流 前馈解耦控制和基于独立 电压环 的 电压平衡控制 来实现各桥直流侧输出电压平衡和功率因数控制。 2级联 H 桥整 流 电路 的拓扑 结构 无工频变压器单相级联式功率变换 器变换器 由整流级 、 高频变压器和逆变级组成 ， 其 中整流 级 与逆变级均采 用 H桥 级联式结构 ， 该结 构能在 交 流侧输 出较高电压阶梯波 ， 同时可使单个功率器件 承受 的电压降低 实现 了较低耐压等级 的功率器 件应用于较高 电压等级的功率变换场合I 3 】 。 该级联 式拓 扑结构简单 、 易于模块 化 ， 广泛应 用于逆变器 中。现在级联 H桥逆变器 已广泛应用于高压 电气 传动 、 大功率静止无功补偿 、 大功率有源 电力滤波 等场合 。 但对该变换器的级联整流侧的研 究还很 少 要达 到真正 的应 用 ， 还有很 多 问题 需解决 ， 基 级 联 H 桥 整 流 电 路 电 压 滑 模 控 制 策 略 于此对该级联式功率 变换器级联整流 侧 的两级级 联 型整流 电路 电压均衡控 制策略进行研究 。 2 1 两 级 级 联 H 桥 整 流 电 路 的 数 学 模 型 两 级级 联 H 桥整 流 器 的拓 扑 结构 如 图 1所 示 单相 H桥 P WM 整流器 的输入 端通过 H桥 级 联 的形 式连接起来 。并通过一个 电感 和 电阻 尺 接入 电网 。定义 开关 函数 Js ( 1 ， 2 ； = 1 ， 2 ， 3 ， 4 ) 在对 应开 关管 v 导通 时为“ 1 ” ， 关断 时为 “ 0 ” ， 并 且 同一桥臂 2个开关管开关状态相反 可将各桥臂 上 管开 关状态定为单级 P WM整流器开 关状态。 图 1 单 相 两级级 联 H桥 整 流 电路拓 扑 F i g 1 T o p o l o g y o f 2 H b r i d g e s ca s ca d e d r e c t i f i e r cir cu it 系统基于 占空比的数学模型为 ： f L d i d t = u - Ri。 一 M ， 、 【 C d U J d t = D i。 一 【 、 式中： ， ci， D i分别为两 H桥的直流侧输出电压、 直流侧 电容 、 占空 比 ； u o oa = D + D ： ； “ 。 为输 入 电源 电压 。 令 D 】 + D 2 = D， 】 + = ， C J = C 2 = C， tR 】 + i r a = 。 则式 ( 1 ) 可 简化为 ： f L d i d t = u 一 尺 一 D l f 【 C d U Jd t = D i 一 iR 、 式中： 为两桥处于稳态时每个桥的直流侧电压给定值。 2 2级 联 型 P WM 整 流 电路 的单 相 坐标 变 换 为 实现 单相 P WM 整流 器 到两相 同步 d q旋 转坐标系 下的坐标变 换 ，需构造 一个 与 电源 电流 。( t ) 垂 直的虚 拟量 ( ) ， 在 坐标 系 中构成 两相 静 止 O t ， 坐标 系。令 ： f 1,v ( t ) = I m s i n ( w t 一 9 + a 2 ) = i d co s ( to t ) + i q s i n ( t o t ) lis ( t ) = ro s in ( t o t 一 ) = 妇in ( t o t ) 一 iq e O S ( g O t ) ， 坐标系到 d ， q坐标系 的变换为 ： s i n ( t O t i C O S tO t s in ( tO t i 【 J 【 ( ) ) 。 J 其反 变换为 ： s in ( tO t ) ) c os ( ( t o t ) ) C O S tOt s in tOt i ( 5 ) J 【 一 ( ) ( ) J 所 以整流器 交流侧 电压为 ： f ( ) = U # i n ( tO t ) = u s i n ( tO t ) 一 u co s ( tO t ) 1 D( ) ： D in ( tO t ) 一 c。 s ( t ) ( o 式 中 ： U ， u 为 1L 在 d ， q轴 上 的分量 。 联立式 ( 2 ) ( 6 ) ， 可得 ： f L d i a d t = u 一 R i d JD d U * - tO L i g L d i q d t = u - R i g D g + 比 ( 7 ) 【 C d U Jd t = ( D D 。 i ) 1 2 - i R 3级联 H 桥整 流器 电容 电压平 衡控 制 3 1整 体 电压 外环 滑 模 控 制 P WM 整流器 的控制 即控 制 电力 电子 器件 的 开关切换 。 属 于非线性控 制 ， 而滑 模变 结构控制也 是一种开关型控制 ，通过对 开关控 制量的切换使 系统一直沿着滑模面运动 ， 在有外部干扰存在 时 ， 具有一定的不变性 。其控制 的理想效果为系统 的 所有状态点均按设计好 的滑模面运动 。 滑模控制主要根据 系统正常运行 阶段 的动态 品质要求设计 ，滑模变结构 控制策略设计主要包 括： 根据系统的动态特性， 建立合适的滑模切换 函数 s ( ) ： 设计控制律使滑动模态在有限时间 内能够稳定到达滑模面 s ( ) = 0上 ， 求取控制 函数 ( ， t ) 使系统状态 点尽量存在于滑模面上 。 ( ， t ) 可 由下式表示 ： 暑 滑模控制 系统通过判 断 s ( ) 的符号来切 换控 制量 改变系统 结构 使系统状态变量运动到 设计 的 s ( ) = 0上 ， 以实现 系统所要达 到的动态特性 。 根据滑模控 制理论和 前述各式 ， 令 的一阶 导数为 6 ， 并对 其求一阶导数 ， 则用矩 阵表示为 ： l q l l M L R q D q U * L + tO i d l l I= l I ( 9 ) l 6 J a - 6 ( C R ) + tO ( D D ) ( 2 c ) J 式 中 ： 6 = D e i a l( 2 C) + D q ig ( 2 C) - i R C； A= 【 一 ( D + D g ) + “ 。 d + “ - R( D D q i ) 】 ， ( c ) 。 s ( ) 中的 一般选 为系 统状态 变 量 的偏 差 ， 来获得较好 的控制 效果 ，通过适 当组合状态偏 差 变 量 得到 s ( ) ， 对 于二 阶系 统 ， 通 常有 ( ) = + k d x d t 。级联型 P WM 整流器的控制 目的为获得单 位 功 率 因数 ， 即 iq = i q = O， 但 各桥 直流 输 出 电压 必 须稳 定在给 定值 。将实际值与参考值间的误差 作 为新 的状态 变量 ， 即定义误差变量为 ： e = e 1 e 2 e 3 ： q - i q 己 一 已 d c d c 】 ( 1 0 ) 选择滑模 面函数 为 ： f k l e l = O f 】 1 1 ls 2 = k 2 e 2 + k 3 e 3 = e 2 + 3 O 、 将式 ( 7 ) ， ( 1 0 ) 代入式( 1 1 ) ， 化简整理得 ： 77 第 5 O卷 第 5期 2 01 6年 5月 电 力 电子 技 术 Po we r Ele ct r o nics Vo 1 5 0，No 5 Ma l v 201 6 s z： ( 一 ) + 告( D d D ) 一 譬 ( 1 2 ) 4仿 真 分 析 滑模控 制设 计 的 目的为控制 直流侧 电压 将 直 流侧 总 电压 的误差 作 为滑 模控 制 器 的输入 指 令， 输出为网侧 电流的有功分量。 系统控制的问题 为 使其状态 轨迹在设 定的滑模面上 进行滑 动 。 由 于滑模 函数 中含有非线性时变量 ， 。 但在 d ， q 坐 标系下 u ， u 和稳态时 ， D 为常数 ，根据理 想滑模 面为 = 0与 s ， 的一 阶导数为零和 式 ( 2 ) 及 理 想状态下各量 的值 、 功率平衡原理可得 ： f D d = i R i ( 一 Ri a ) ， ， 、 I D a = ( 一 + n ) t o L iJ 将 式( 1 3 ) 代 入 s 2 = 0 ， 整理得 ： = 一 ( 一 ) - fliR C 2 C U * ( u z - R i a ) ( 1 4 ) 同时理想滑模面可改写为 ： s l= iq - iq = 0 ， s 2 = id - i a * = O ( 1 5 ) 由式( 7 ) 可见 i ， i 。 相互耦合， 采用电流前馈解 耦控制策略来实现两者解耦 ， 其 中 2个 P I 控 制器 参数为 ， ， 系统结构控制框 图如图 2所示 。 Ud 1 + c2 L ， m 卜 s i 。 n ( c o t ) ： 图2 系统控制结构框图 F ig 2 T h e co n t r o l s t r u ct u r a l d ia g r a m o f s y s t e m 3 2基 于 独 立 电压 环 的 电 压 平衡 控 制方 式 由上述分析可知 各路直流母线 电压 出现 不 平衡 时 。不仅会影 响后级逆变得 到的交流侧 电压 谐波含量， 同时输入电流谐波量也会增加。 常用直流母线 电压平衡控制方式为设置各桥 独立 的 电压补偿控 制 回路 ， P I 控制器 参数为 ， ，其控 制框 图见 图 3 ： 采 用一个整体 电压外环 来 维持各桥直流母线 电压之和稳定在给定值 ，再根 据各单元直流母线电压偏离指令值的程度进行独 立补偿 。为保证 交流侧 输出总 电压 为 “ ， 采用最 后 一个桥补偿其他桥 的方法完成对 u 的合成 。 图 3 基于独立电压环的电压平衡控制框图 F ig 3 Th e v o lt a g e b a la n ce co n t r o l b lo ck d ia g r a m 7 8 系统仿真参数为 ：单相正弦输入 电压 6 2 0 V 频率 5 0 H z ： 输 出直 流 电压参 考值 4 0 0 V 输入 电 感为 1 0 m H， 线 路等效 阻抗为 0 5 n， 直 流侧 电容 为 2 2 m F， 开关频率为 5 k H z 。为验证所建模型和 控 制策略具有较好的静动态性能 与 P I 控制进 行 仿真对 比 ，其 中 ， 为整体 电压环 P I 控制时 的控制器参数 ， 为 电压 滑模控制下 的滑模 系数 ， 各仿真下 的参数 为 ： 滑模控制 下 ， 3 = 0 0 6 ， K 船= K P = 4 O ， K = 1 9， K “ = 2 0；P I 控 制 下 ， K l P = 0 2 5 ， 1 I =1 0， Ks = Ki , =8 0， P = 2， Kv I =1 5。 图 4 a ， b分别为 系统 启动过程 基 于 电压环 滑 模控制 和 电压 环 P I 控 制时 的直流 侧输 出 电压波 形 。 由图 4 a可见 ， 基于 电压滑模控制下 ， 直流侧 电 容 电压进入 稳定 的调 整时 间为 0 1 5 S ，且 电压最 大超调量为 1 2 5 ：图 4 b中 P I 控制下直流侧电 容 电压进入 稳定 的调 整时 间为 0 2 5 S 电压最大 超调量为 2 1 2 ，可见 ，运动过程滑模 控制 比 P I 控制调整 时间减少 了 0 1 S ， 电压最大超调 量降低 了 8 7 。图 5 c 为基 于 电压滑模控制 下系统稳 定 时 的交流侧 电压 电流波形 ， 实现 了单位功率因数。 f ， f a ) 滑 模 控 制 f ， s f ， s ( b ) 电压P I 控 制 直流 侧 电压 ( c) 电压 滑 模控 制 下 交流 侧 电 、 电流 图 4 仿 真波形 F ig 4 S imu la t io n w a v e f o r ms 图 5为系 统两种 控制 下的动态 调整波 形 ， 即 桥 1的 直流 侧 负载 在 0 8 s时 由 1 0 0 Q 升 高 到 1 2 0 Q 时 ， 变化波形对 比， 由图 5 a可见 ， 采 用滑模 控 制 的动态 调 整 时 间为 0 3 s ， ， 波 动值分别 为 4 0 5 3 V， 3 9 3 5 V， 电压最大超 调量 为 1 3 ：图 5 b中 P I 控 制下动态 调整时 间为 0 5 s ， ， 波动值分别为 4 0 7 V， 3 9 2 V，电压最大超 调量为 1 7 5 。说明在桥 1负载突变 的动态 过程 中滑模 控制 与 P I 控制 相 比 ， 反 应更快 ， 调整 时 间 减少 了 0 2 s ， 电压最大超 调量 降低 了 0 4 5 。 级 联 H 桥 整 流 电 路 电 压 滑 模 控 制 策略 畸 一 ； 4 c2 c l ； i ； I ， t ， 嗍州州肿 嘲端档 燃蝴蜘H 一 一 r l 1 ， ： i 。 ； ( a ) 滑 模控 制 下 ( b ) 电 1 Pl控 制 下 图 5两种 控制 下 负载 突变 动态 调节过 程波 形 F ig 5 W a v e f o r ms co mp a ri s o n o f lo a d mu t a t io n d y n a mic r e g u la t io n 5实验 结 果分 析 搭 建 基 于 R T la b的平 台来验 证 控 制 的有 效 性 。控 制 电路经 R T la b产生开 关控制信 号 ， 再 经 R T la b数字量输 出板卡输 出开关信号 ，并输 入主 电路中控制 I G B T动作。 主电路采用 F 4 1 5 0 R1 2 K S 4 型 I G B T； 驱动 模 块 选 用 Q P 1 2 W0 5 S 一 3 7 A； 电流 检 测 回路 采 用 S E1 T 5 0 C 5 0 V 6 S P 9型霍 尔传 感 器 。 其 额 定输 入为 5 0 A 额 定输 出为 5 0 mA， 在其输 出端 串联 一个 1 0 0 Q 电阻即可将信号转化为额 定输 出 为 5 v的电压信号。 交流侧 电压有效值 U = 2 2 0 V， 频 率 5 0 Hz ： 交流侧 电感 L = 1 0 m H； C 1 = C z = C = 2 2 m F； 直 流侧 输 出参考 电压为 2 0 0 V；开关 频率 5 k H z ； 开 始 时 RI = R = 1 0 0 Q，系 统稳定运 行 的某一 时刻使 突变 至 1 4 0 Q， R 不变 ， 观察两桥直流侧输 出电 压 动态过程 。电压环滑模 控制下 ， 3= 0 0 0 3 5 ， K = K q p = 4 0， K v P = 2 4 5， Kv I = 3 0 。实验波形见 图 6 。 寒 昌 S 1 V V一 八 f n1 ； ； J V V V t ( 4 ms 格)t ( 8 ms 格) ( a ) 交流侧电压 ( b ) 电源电压和交流侧输入电流 c1 f ，L ， cl t ， t ( 4 0 ms 格)t ( 8 0 ms 格 ( c) 直 流侧 输 出 电压 ( d ) 滑 模 控 制 下桥 1 负载 突 变 时 电压 图 6实验 波形 F ig 6 E x p e r ime n t a l w a v e f o r ms 级联整流器 的整体 电压控 制环采用 了滑模控 制 电流控 制采用前馈解耦控 制 ， 直流侧 电压平衡 控制采 用基于 独立 电压 环 的电压平衡 控制方 式 ， 系统稳定运行时 交流侧 电压 、 电流和直流侧 电压 波形 如 图 6 a 。 b ， c 所示 ， 可见 ， 系统实 现 了交流侧 5电平阶梯波 与单位功 率因数 ，两桥直 流侧母线 电压在 0 0 2 S 均达到稳定状态 。 图 6 d示 出基 于滑模 控制 的系 统 负载 突变时 的动态调 节过程 图 中显示 了滑模 控制 下 R 由 1 0 0 Q 突变为 1 4 0 Q 时的各桥 直流侧 电容 电压 的 动 态变 化 过程 。系统 达 到稳 定 时 的调整 时 间为 0 4 s ， l， 波动值分别 为 2 1 0 V， 1 9 0 V， 电压 最 大超 调量为 5 。 6 结 论 分析 级联 H桥整流器的拓扑结构 ，建立了单 相两桥 级联整流 器 同步 坐标系 下的数 学模型 ， 提 出了一种 改进 的滑模控 制 电压 外环控 制方法 ， 实 现各桥直流侧母线 电压平衡控制 。仿 真和 实验验 证了所提控 制策略在系统启动和直流侧 负载突变 时具有更好的动静态性能 。实现 了网侧 功率因数 为